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稀土在農業中的奇效
時間 : 2018-02-13    管理員 : admin

稀土就是化學元素周期表中鑭系元素,簡稱稀土(RE或R)。稀土農用(也稱農用稀土),英文:Rare Earth Farm ,是稀土化工和稀土生物分離出來的一門新的學科,包括應用應用兩個方面。

中文名:稀土農用

外文名:Rare Earth Farm 

簡稱:稀土

地殼中的含量:地殼中的含量

應用:動物和植物


概述

稀土就是化學元素周期表中鑭系元素,簡稱稀土(RE或R)。

稀土農用(也稱農用稀土),英文:Rare Earth Farm ,是稀土化工和稀土生物分離出來的一門新的學科,包括植物應用和動物應用兩個方面。

基本概念和地殼中的含量

稀土是周期表中的一族元素,它由性質十分相似的鑭、鈰、鐠、釹等15種元素和與鑭系元素性質極為相似的鈧、釔共十七種元素組成,統稱為稀土元素。

其實稀土元素并不稀少,17種元素共占地殼總量的0.0153%,這比銅在地殼中的總量還多一倍。就單個元素而言,鈰***多,它的克拉克值為0.0046%,與常見元素鋅差不多。釔為0.0028%,鑭為0.0018%比常見元素鉛還多。

總之,稀土元素在地殼中的含量與銅、鉛、鋅不相上下,比錫、鈷、銀、汞等元素還多。

我國儲量和其獨特的用途

我國稀土資源得天獨厚,已探明儲量為4300萬噸,居世界首位。由于稀土元素獨特的電子層結構,使其具有優異的磁、光、電等特性。因此,稀土材料被廣泛應用于冶金機械、石油化工、輕工農業、電子信息、能源環保、國防軍工和高新材料等13個領域的40多個行業。產生了顯著的經濟效益和社會效益,是當今世界各國改造傳統產業,發展高新技術和國防尖端技術不可缺少的戰略物資。

稀土農用的起源和國內外研究進展

1917年中國錢崇澍與美國Ostenhout發表了鋇、鍶、鈰對水綿生理作用的論文,開創了稀土元素的生物活性研究的先河。20世紀30年代,前蘇聯對稀土的植物生理效應做了大量的試驗研究,涉及作物有豌豆、蘿卜、黃瓜、亞麻和橡膠草等,且明確了稀土對上述作物生長的促進作用。 我國從二十世紀70年代以來,通過深入的試驗研究與反復的生產實踐。于1985年獲得了重大突破即在稀土農用技術、土壤學、植物生理、毒理衛生學、分析檢測及農用產品生產工藝等領域取得120余項成果和1300篇研究報告,并成功地將稀土元素應用于我國農業生產,從而將時停時續進行了近60年的稀土生物活性研究,發展成一項實用技術,成為世界上第一個把稀土元素作為一種商業性產品應用于農業生產的國家,累計產生了150億元的經濟和巨大的社會效益。目前國際上公認我國在稀土農用技術的研究和應用處于國際領先水平。高效稀土配方復合劑已出口到韓國、馬來西亞。美國、以色列、澳大利亞、泰國等也與我接觸要求與我國合作進行稀土農用技術的研究。

稀土在農業中的奇效

促進種子萌發和生根發芽

稀土拌種、浸種,可增加種子活力,促進作物種子萌發,提高種子的出苗率。一定濃度的稀土化合物浸種拌種可以增加種子的活力,稀土的這種作用已應用在小麥、水稻、玉米、大豆、白菜、油菜、麻類等大田作物上,其中小麥發芽提高幅度達8~19%,胡麻提高7%~12%,稀土的這種作用也用于牧草種植,其發芽率提高9.8~19%。在林業上苗圃基地也利用稀土的這個特性,種子浸種可明顯提高其活力,用適量的稀土化合物溶液處理油松、檸條及華北落葉松種籽,可分別提高種籽活力指數8%~13%、25.9~57.2%和9%,發芽率分別提高4%~11%,2%~6%和3%~9%,田間出苗高峰要早2~4天。桑籽浸種可提高發芽率達18%~78%

稀土對植物根系和扦插生根具有顯著的促進作用。植物根系是植物從其生活環境中獲取水分和養分的重要器官,根系的生理活動直接影響著植物一生的生長發育。研究表明,適量的稀土元素可促進植物根系的生長發育,提高根系活力,促進根分化和代謝活動,提高根對營養元素的吸收能力。研究表明適量稀土處理的水稻根系體積比對照增大1.18倍,根系活力增加20%花生試驗也表明,稀土處理花生的根系活力比對照也增加30.8%大田作物如小麥、水稻、玉米和甘蔗等根系生長均有明顯的促進作用。根長增加4%~10%,根重增加15%以上,根系體積增加2.5%。稀土元素對木本植物插條生根具有促進作用,特別是生長刺激素與生長素配合效果更好。用楊樹、月季、圓柏、落葉松做扦插,其生根率達到60%~85%,龍眼、高山含笑、板栗等難生根樹種插條根系生長也可達到35%~60%, 比單用激素生根率提高30%

稀土對種子活性的增強和發芽率的提高以及對木本植物扦插生根的促進作用能夠保證作物出苗率和扦插成活率,不但打下豐收基礎,而且還節約了時間和成本。諺語常說“有錢買籽,無錢買苗”。稀土在種子萌發、移栽、扦插方面必將發揮重要作用。

葉綠素增加、提高產量和改善品質

葉綠素是植物進行光合作用的物質基礎。葉綠素含量越高,光合作用的強度就越大。多年試驗結果表明,許多作物應用稀土后,葉綠素含量都有所提高。水稻在幼苗期噴施萬分之三的稀土,經過一段時間后,可以目測到葉色逐漸加深,經過測定劍葉中葉綠素含量比對照增加11.8%黃花菜葉片葉綠素含量增加0.2mg/g。葉片噴施適量的稀土可明顯提高黑穗醋栗葉片的光合速率、葉綠素含量、光量子通量密度等生理指標,表明稀土可促進黑穗醋栗生長。葉綠素的增加會提高植物的干物質累計量,提高經濟產量。黑龍江春小麥試驗結果表明,39次試驗中有34次增產,增產幅度為7.53%~18.88%。長期定位試驗結果也表明,稀土促進小麥生長,提高產量5%~10%。水稻上施用的增產幅度為30kg/畝、玉米的增產幅度為41~50kg/畝油菜增產7.6~11.4%、茶葉平均增產12%~15%、蔬菜如黃瓜為25%和草莓增產30%,同時稀土在其他蔬菜和經濟作物上也都有很好的增產效果。

稀土具有促進林木種子生長發育,提高林產品產量,改善產品質量等應用。目前應用樹種已達40個以上,以浸種、拌種、沾根、插條和葉面噴施等方式用于苗木培養,促進樹木生長,防病抗逆,增加產量。稀土元素對多種果樹都有一定的增產效應,一般增產幅度在10%~25%。而不同地理位置不同類型的水果,因氣候條件的變化,其增產效果有差異。如南方的柑桔、荔枝和龍眼噴施稀土比未噴稀土的分別增產19.2%、17.0%和24.5%;北方的葡萄、蘋果和梨等分別增產22.8%、14.7%和11.3%。此外,果樹施用稀土不僅可以增加產量,而且可改善苗木和果品質量,使果實含糖量、維生素含量及硬度指標等均有不同程度的提高,同時可以促進著色,提早成熟;苗木一級品率提高15%~25%

適量稀土拌種可提高桑樹新種子發芽率7個百分點,舊種子達44個百分點,可顯著促進幼苗的生長。試驗結果還表明,桑樹以適當濃度噴施稀土后,發條數增加6.4~9.0%、新梢長度增加6.89~22.46%和葉片數增加5.12~14.1%,平均每片葉重增加12.57~31.49%,單位面積產量提高11.67~16.67%。

稀土元素對植物根系發育的影響

植物根系是植物從其生活環境中獲取水分和營養物質的主要器官,稀土元素對根系生長有特殊的效應。Diatloff等研究稀土元素對玉米(Zea mays)和綠豆(Phaseolus radiatus)根系生長的影響,與對照相比,玉米根系伸長可增加36%,增加綠豆根系生物量21%,濃度高時,將導致兩種植物根系減少30%以上。同時研究發現,過高,對玉米產生毒害作用。Xie等研究表明,低濃度可增加玉米根系干重并促進根系對Cu、Fe、Mg等金屬離子的吸收;而高濃度將抑制玉米根系生長并影響根系對養分的汲取。Wahid等對椰子樹(Cocos nucifera)施用稀土元素發現,稀土元素在低濃度時促進椰子樹根系生長,但在高濃度時抑制其根系生長并使根系對營養元素P和Ze的吸收明顯減少。這說明適量的稀土元素可促進植物根系的生長發育,提高根系活力,促進根系分化和代謝活動,提高根系對營養元素的吸收能力,而高濃度稀土元素將抑制植物根系吸收養分的能力并影響根系生長。

稀土元素對植物礦質營養代謝的影響

大量研究資料表明,施用適當濃度稀土元素能促進植物對養分的吸收,轉化和利用,這已得到許多實驗結果的證實。用富鑭稀土對春小麥噴施或拌種,采用15N,32P示蹤技術檢測,實驗結果顯示春小麥生長發育得到促進,結實穗數和籽粒數也有所增加,表明使用稀土可提高春小麥對氮,磷肥的吸收,運轉,利用,并減少土壤中氮素損失。聶呈榮發現,花生噴施稀土,對根瘤固氮活性和葉片硝酸還原酶活性均有顯著的促進作用,從而提高了葉片氨態氮含量,降低了硝態氮含量,改善了植株的碳氮代謝,對改善品質,提高產量有利。常江發現鑭(10mol/L)和鈣(1mol/L)均可降低水稻根系對K+的親和力,導致K+的吸收下降。鑭可促進磷吸收,而鈣則相反。廖鐵軍研究了稀土在氮,磷均衡營養供應的條件下,對幾種作物的增產刺激作用。認為增產機理在于稀土可促進,協調作物對礦質養分的吸收,刺激酶活性。而且土是生理活性物質,必需與大量營養元素進行合理的配用,才能發揮效益。李元沅發現在灰泥田水稻分蘗始期和初穗期噴施稀土離子可使根際容積磁化率提高,并顯著促進水稻對養分的吸收和生長發育。值得注意的是,這是為數不多的一篇涉及到生物磁性方面工作的文獻。

稀土元素對植物光合作用的影響

光合作用對植物干物質的積累和作物產量均有決定性的作用。無論是大田實驗,還是實驗室實驗都明確證明,稀土元素對植物的光合作用有明顯的影響。顯微學研究表明:稀土可增加葉肉組織中葉綠體的數量,提高微管束的排列密度,因此可提高光合作用效率

稀土元素對糖用甜菜塊根膨大期和糖分積累期光合產物分配的影響可利用CO2示蹤法來檢測。結果顯示,噴施適當濃度稀土元素可提高甜菜同化CO2能力,提高根冠比,改善光合產物的分配,有利于光合產物向塊根運輸。用適當濃度稀土元素在苗期和花針期噴施花生時,可提高葉片葉綠素含量和凈光合強度,因而增加花生莢果產量。劉洪章等用葉面噴施稀土方法,對黑穗醋栗生長進行了研究,發現低濃度(300-800ng/L)處理能顯著增大葉面積,提高葉片葉綠素總量,對葉片光通量密度,氣孔導度和蒸騰速率均有良好的影響,對提高座果率,單株產量等均有益處,而高濃度處理時則出現抑制作用

有關稀土元素對光合作用產生影響的機理一直是受人關注的一個研究方面。但目前還沒有一種被大家所一致公認的機理。有報道說,鈰對黃瓜葉綠體中葉綠素蛋白質復合物的形成有影響。李賽君等則在甲醇和醋酸體系中合成得到葉綠素-鑭配合物。通過研究葉綠素-鑭和葉綠素a的紫外可見(UV--VIS)和瓷圓二******譜(MAD)證明,鑭離子已配位到葉綠素的卟啉環上,形成了葉綠素-鑭的配合物。沈博禮等則認為稀土對植物光合能量代謝的影響,主要還是促使PSⅡ蛋白質復合體的活性加強和電子傳遞鏈中電子傳遞速率加快,從而帶動整個光能轉換和光化學反應。還有的研究者發現稀土元素還可以改變葉綠素在細胞內的移動速率。

稀土元素對植物抗逆性的影響

大田作物栽培常會遇到諸如干旱,高溫,低溫,鹽漬,病蟲害等逆境條件。使用稀土,可以增強作物對上述不良環境條件的抵抗能力。用300mg/Kg稀土溶液處理棉花種子,枯萎病發病率可降低18.96%--11.45%,病情指數降低25.6%--17.43%,相對防效分別為29.19%--39.3%。但高濃度稀土則效果不明顯,甚至產生藥害。其他作物施用稀土也都顯示出不同程度的抗病性。對于稀土元素能增強作物的抗逆性和抗病性,寧加賁認為在于稀土離子能與細胞膜的磷脂結合,調節鈣的代謝,并取代Ca+2離子,參與與Ca+2有關的許多生理過程,所以,稀土離子能維持細胞膜的通透性和穩定性,提高細胞膜的保護功能,增強作物對不良環境的抵抗能力。加強代謝過程中的氧化酶活性,有效地抑制病原體侵染,從而提高作物的抗病性。

稀土元素對植物生物量、品質的影響

由于稀土元素可促植物生長,提高光合速率,增強植物的光合作用,提高種子萌發能力和根系發育,從而增強了對養分的吸收以及干物質的積累,所以稀土元素對植物的效應既能提高其生物量,還能改善其品質。對水稻(Oryzasativa)、桔子(Citrus)、西瓜(Citrullus)和菠菜(Spinacia oleracea)等植物施用稀土元素后將增加其產量,改善品質,同時也減少了植物體內農藥劑含量。結果表明,適宜濃度稀土浸種花生不僅提高了葉綠素含量和光合強度,而且還促進了葉片細胞葉綠體的生長發育,使葉綠體結構完整、排列整齊,基粒片層數增多,緊密度高,從而有利于光能的吸收和轉化,提高莢果產量。Xie等發現低濃度鑭能促進水稻生長、根系干重和穗粒數,而高濃度鑭抑制穗粒形成和根系延長生長在整個濃度范圍內鑭元素對水稻莖桿重沒有顯著影響。儲鐘稀等研究了稀土對玉米的生物效應影響,玉米種子經稀土溶液浸種48h,玉米的萌發勢和幼苗生長明顯優于對照,他還發現稀土對玉米葉片的葉綠素含量和葉綠素a/b比值有促進作用。

稀土還能提高植物果實的品質。國光蘋果樹在花期施用稀土溶劑1~2次,坐果率平均提高5%~7%,******達12%;著色前噴施1~2次可增色10%~30%左右,果實糖分增加0.5%~1.0%。據王穎明測定,荔枝(Litchi chinensis)施用稀土元素后坐果率比對照平均增加5.4%,施用稀土元素可使荔枝早抽穗、果實色澤紅艷,比對照的早熟10天左右。李淑儀等報道施用適量稀土可提高沙田柚(Citrus grandis)樹木對營養元素的吸收,促進養分平衡,從而提高沙田柚坐果率和產量,而且對柚果還有增糖降酸的效果。國內外對稀土元素研究進行了不少工作,多數研究者肯定了稀土元素對植物生長有一定的刺激作用,施用適量稀土元素能提高植物生物量,改善其品質

稀土元素對植物抗逆性及抗病性的影響

在植物生長過程中,由于植物生長環境受多種因素的影響,經常受到高溫、低溫、干旱的危害、水澇、鹽漬以及酸雨的浸害和病蟲的侵害。稀土元素除有促進植物生長的作用外,在適當的應用條件下可以增強植物的抗逆行并且對一些植物病害有一定的防治作用。許多研究表明,施用適量的稀土元素可防治植物病害的發生。早在1980年,Kawaski報道將研磨成細粉的褐銥礦施入田中不但可防治水稻枯萎病,而且能防治白菜(Brassica pekinensis)的軟腐病。寧加賁等研究發現,施用稀土元素可使黃花菜(Hemerocallis citrine)葉枯病、葉斑病和銹病發病率減少8.16%,發病指數降低10.23%。白松等證實用不同濃度稀土溶液浸種12h,其中用稀土溶液處理棉花(Gossypium hirsutum)種子,枯萎病發病率可降低18.96%~11.45%,與多菌靈的防病效果相當,但高濃度稀土溶液則效果不明顯,甚至產生藥害。

植物對稀土元素的吸收特性

植物體內含有大量的化學元素,幾乎元素周期表中天然存在的化學元素包括稀土元素都可以在植物體內找到,但它們含量差別很大。稀土元素雖未被證明為植物的必需元素,但大量研究表明,稀土元素具有與微量元素相似的某些特性。通過對葉片噴施可使植物吸收稀土元素,但植物主要還是通過根系從土壤中吸收稀土元素。當農用稀土施用量高于烘干土時,可明顯延遲尿素在土壤中的水解,并抑制其水解產物銨態氮的氧化,利于土壤對尿素氮的固持。與微量元素相似,植物對稀土元素的吸收也因植物品種、生長條件和發育階段不同而發生變化;生長在同一地點不同植物對同一種稀土元素的吸收量不同。用中子活化分析方法對同一種蕨類植物的成熟葉片和幼葉分析,結果表明,幼葉中稀土元素含量比成熟葉片中稀土元素含量低一到兩個數量級,可以認為,蕨類植物稀土元素積累與他們生長階段相關。一些蕨類植物吸收稀土元素,而云杉(Picea asperˉata)吸收稀土元素不多。鐵芒萁(Dicraˉnopteris dichotoma)植物對稀土元素有極強的選擇吸收能力。對有些植物來說稀土元素吸收***快的時間是生長始期,如小麥的三葉期。另外,生長在稀土元素富集土壤中的植物吸收稀土元素量很高。

在植物體內的含量,分布及存在狀態

稀土元素在土壤中廣泛存在,但植物體內稀土元素的含量與多種因素有關。土壤環境,植物的種類,氣候條件等都會使植株內的稀土元素含量差異很大。同一植株的不同器官,不同生長部位的含量也不相同。從整體看,在自然狀態下,植物從土壤中吸收稀土元素后,不同器官中稀土元素的含量由大到小的順序是:根,葉,莖,花,果實。馬玉增,勞秀榮,郝福玲等通過用稀土浸種,分別研究了花生,玉米和小麥對稀土的動態吸收過程和植物各器官對稀土的吸收量,結果表明,含量分布與在不施稀土的自然狀態下相同。

對稀土元素在植物體內存在位置和存在狀態的研究是探索稀土元素的植物生理功能的一條重要途徑。周世恭利用電鏡制片技術使進入小麥幼苗的鑭離子固定在原有位置,采用掃描電鏡與能譜分析相結合的方法進行研究。結果顯示:進入植物體的鑭離子多數沉積在根尖細胞壁上,只有少量積累在生長區皮層細胞壁和葉肉細胞壁上細胞質中未檢出。表明鑭離子主要沿細胞壁和壁外途徑傳遞和分布,未能通過質膜進入到細胞內。而李齊等以不同濃度Ce(NO3)3處理I-90楊根,再經快速冷凍干燥,塑料真空滲透包埋,用透射電鏡能量分散型X射線微區分析法對鈰及其它離子在亞細胞微區間的分布和含量進行了測定。表明鈰不但進入植物細胞,而且在細胞核內有明顯富集。在此,是由于供試的稀土離子不同,植物的種類不同,還是實驗條件的差別(如稀土處理樣品的方法,植物的生長期不同等)而導致不同的結論,尚不清楚。這方面的工作還有待于進一步深入。

有關稀土在植物體內存在形式的研究工作并不多見。這幾年來,只有鐘淑琳報道了從未噴施過稀土的新鮮茶葉中分離出一種稀土-脂多糖,并測定了其分子量。這方面的工作進展緩慢可能是由于植物的組成成分復雜,且稀土-生物分子化合物含量甚微,現有的分離手段難以達到這樣的要求,從而使得這方面的工作較為困難。


稀土新技術及其應用前景

“八五”以來,以稀土轉光膜、稀土抗旱保水劑、稀土磷肥、稀土植物生長調節劑等新技術具有保水、保肥、使用方法簡便、效果顯著和成本低廉等特點。而有機稀土飼料添加劑具有明顯促進動物生長、改善品質、提高成活率及抗病能力的特性。目前以超細粉末、納米技術為依托的稀土新材料具有顯著提高種子萌發、促進植物生長、增強植物抗逆性等功能,是未來稀土農用研究的重要領域和發展方向。



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